JP2005345404A

JP2005345404A - 圧電振動ジャイロ用振動子及びその製造方法

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Publication number: JP2005345404A
Application number: JP2004167987A
Authority: JP
Inventors: Mitsuharu Chiba; 光晴千葉; Koichi Shuda; 浩一習田; Akiko Oshima; 亜希子大島; Takeshi Mizuno; 豪水野
Original assignee: NEC Tokin Corp
Current assignee: Tokin Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2004-06-07
Publication date: 2005-12-15

Abstract

【課題】簡便な方法で二つの振動モードの共振周波数の差、即ちΔｆを調整した、圧電振動ジャイロ用振動子、及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】圧電振動ジャイロ用振動子として、一方の側面にのみ電極を形成することで振動子を構成し得る圧電単結晶の音叉型振動子を採用し、音叉型振動子の電極が形成されていない方の主面に対し、切削加工を施して、Δｆ及び振動方向を調整する。
【選択図】なし

Description

本発明は、主として自動車のナビゲーションシステムや姿勢制御装置、カメラ一体型ＶＴＲの手振れ防止装置等に用いられるジャイロスコープで、特に圧電振動ジャイロスコープに用いられる、圧電振動ジャイロ用振動子、及びその製造方法に関するものである。

振動ジャイロは、速度を持つ物体に角速度が与えられると、その物体自身に速度方向と直角な方向にコリオリ力が発生するという力学現象を利用した角速度センサである。

具体的な角速度の検出方法としては、電気的な信号を印加することで機械的な振動（駆動モード）を励起させることが可能で、且つ、駆動振動と直交する方向の機械的な振動（検出モード）の大きさを電気的に検出可能とした系を用い、予め、駆動モードを励振した状態で、駆動モードの振動面と検出モードの振動面との交線と平行な軸を中心とした角速度を与えると、前述のコリオリ力の作用により、検出モードが発生し、出力電圧として検出されるというものである。

検出された出力電圧は駆動モードの大きさ及び角速度に比例するため、駆動モードの大きさを一定にした状態では、出力電圧の大きさから角速度の大きさを求めることができる。振動ジャイロの中でも、電気的信号と機械的振動の変換を圧電効果で行うものを圧電振動ジャイロと称する。

圧電振動ジャイロは、小型で安価なため、デジタルビデオカメラやデジタルスチルカメラ等の手振れ検出用センサとして広く一般に利用されている。近年、これら携帯用デジタル機器の小型化、機能の高集積化が益々進められるに伴い、圧電振動ジャイロへの更なる小型化の要求も高まっている。

しかしながら、圧電振動ジャイロの小型化を図るには、振動子の加工精度、組み立て精度のばらつきの相対的な増加に対処するための、効率の良い補正手段を考える必要が生じている。従来、このようなばらつきは、振動子を組み立てた後、振動子の振動方向や、駆動と検出モードの共振周波数差を機械的加工等で調整し、所定の特性を満足させてきた。以下は、共振周波数差をΔｆとし、
Δｆ＝（駆動モードの共振周波数）−（検出モードの共振周波数）
と定義して説明する。

圧電振動ジャイロに用いる振動子の一つに、音叉型がある。音叉型振動子は、一対の平行な棒状の部材であるアーム部と、アーム部を一体に接合する基部を有する形状であり、２方向に振動させることが可能である。即ち、音叉型振動子の中心軸について対称な前記一対のアーム部の面内振動と、前記面内振動とほぼ直交する方向における前記一対のアーム部の面垂直振動である。

図５は、音叉型振動子の形状と振動方向を示す図で、図５（ａ）は音叉型振動子の形状を示す斜視図、図５（ｂ）は面内振動（以下、ｆｘモードと記す）を示す斜視図、図５（ｃ）は面垂直振動（以下、ｆｙモードと記す）を示す斜視図である。図５において、５０ａ、５０ｂは一対のアーム部、５１は基部である。

このような音叉型振動子の共振周波数の調整方法の一例が、特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されている調整方法の例は、音叉型振動子の基部に、支持基板を取り付け、この支持基板の長さにより、ｆｘモードとｆｙモードの共振周波数差、Δｆを調整するものである。

図６は、特許文献１に開示されている、共振周波数の従来の調整方法の一例を説明するための図で、図６（ａ）は音叉型振動子と基部の配置を示す図、図６（ｂ）は基部の長さの変化に伴う共振周波数の変化を示す図である。図６において、６１は音叉型振動子、６２は支持基板、６３は基板である。また、図中のｄは、支持基板長を示す。

図６に示されるように、特許文献１に開示されている技術によれば、支持基板長ｄの増加に伴い、ｆｙモードは単調に減少するのに対し、ｆｘモードは殆ど変化を示さない。これによって、Δｆを調整することが可能であるとしている。

これは、ｆｘモードは、支持構造の特徴から支持基板へ振動漏れがなく、ｆｙモードは、捩れ振動が支持基板へ漏れるため、支持基板長ｄに大きく依存することによる。その結果、支持基板長ｄの調整によって、ΔｆおよびｆｙモードのＱ値を調節することが可能となる。

また、同じく特許文献１には、アーム部の稜、即ちコーナーにトリミング加工を施すことで、振動方向を調整する方法が開示されている。図７は、音叉型振動子のアーム部のコーナートリミングによる振動方向の調整方法を説明するための、アーム部の断面図である。図７において、７０ａ、７０ｂはアーム部、ハッチングを施したＡ、Ａ’、Ｂ、Ｂ’の部分は、トリミングを施す部分である。

理想的な状態では、振動子の長さ方向の軸に関して角速度が印加されない場合、ｆｘモードを駆動してもｆｙモードが発生しないはずである。しかし、特にΔｆが極端に小さい条件や振動子および電極の形状的な非対称性、結晶の非対称性などにより、ｆｘモードとｆｙモードに結合が生じ、ｆｘモードを駆動するとｆｙモードが発生する。

その結果として、振動方向が変化する。これが、検出電極に漏れ出力として発生し、静止時出力の偏倚の一因となる。この振動方向の変化を、図７に示したように、アーム部７０ａ、７０ｂのコーナーＡ、Ａ’、ＢおよびＢ’のいずれか１つ以上を、レーザなどを用いて切削することで、振動方向を調整し、前述の漏れ出力を低減することができる。

その他の効果としては、音叉型振動子の基部にセラミック支持基板を接続することにより、音叉型振動子の長さ方向の軸に関してモーメントを大きくすることができ、ｆｙモードの捩れ振動を抑圧し、ｆｙモードの振動方向のずれを防止するための支持を容易にする効果も期待できる。

また、特許文献２には、音叉型振動子の振動方向の調整方法として、電極にトリミングを施す技術が開示されている。図８は、特許文献２に開示されている、従来の音叉型振動子の形状、及び電極構成の一例を示した図で、図８（ａ）は正面図、図８（ｂ）は側面図、図８（ｃ）はＡＡ断面図である。

図８において、８０は基部、８１ａ、８１ｂはアーム部、８２は検出電極、８３は駆動電極、８４はｆｙモードトリミング電極、８５、８６はｆｘモードトリミング電極、８７は基準電位電極である。図８に示したように、この音叉型振動子は、特許文献１に示されているのと同様に、矩形の圧電単結晶からなる基部８０に、同じ材質、同じ厚みのアーム部８１ａ及び８１ｂが接合された形状である。

アーム部８１ａには、検出電極８２、基準電位電極８７、ｆｘモードトリミング電極８５、８６が配置され、アーム部８１ｂには、駆動電極８３、基準電位電極８７、ｆｙモードトリミング電極８４が配置されている。この電極構成により、静電的な漏れ出力を抑圧し、さらに、ｆｙモードトリミング電極８４、ｆｘモードトリミング電極８５、８６を切削することによって、電極による非対称性を調整し、漏れ出力の抑制を行うことができる。

また、特許文献３には、音叉形振動子の振動方向の調整方法として、アーム部の先端近傍への付加質量効果の利用が開示されている。図９は特許文献３に開示されている、従来の音叉形振動子における振動方向の調整方法の一例を説明するための図で、図９（ａ）は平面図、図９（ｂ）は正面図、図９（ｃ）は側面図である。

図９において、９０は音叉型振動子、９１は検出電極、９２は駆動電極、９３はバランス補正用電極である。この例では、検出電極９１でｆｙモードを検出し、駆動電極９２でｆｘモードを励振し、アーム部に先端近傍には、電気的な作用のない付加質量効果のみの機能を有するバランス補正用電極９３が配置されている。

このような電極構成とすることで、センサ静止時の出力をモニタしながら、音叉型振動子９０の二つのアーム部における、バランス補正用電極９３の蒸着及び除去を繰り返すことで、振動方向を調整して、漏れ出力の抑制を行うことができるとしている。

また、特許文献４には、圧電振動子の調整方法として、振動子表裏の電極が配置されている主面に対して切削加工を施し、Δｆおよび振動方向を調整する技術が開示されている。図１０は、特許文献４に開示されている、従来の振動子の調整方法の一例を説明するための図である。

この例においては、厚み方向に互いに逆向きに分極されている圧電セラミクス矩形板１０４と１０５が、中間電極１０３を介して積層され、振動子１０１が構成され、振動子１０１の一方の主面には、振動子１０１の長手方向に関して２分割された駆動兼検出電極１０２ａ及び１０２ｂが配置され、他方の主面には基準電位電極１０６が配置されている。

振動子１０１は、屈曲振動のノード点付近でワイヤ１０８により支持され、振動ジャイロ１００が構成されている。振動子１０１の２つの主面に対し、切削加工位置１０７に切削加工を施し、駆動振動モードである振動子１０１の主面にほぼ垂直な屈曲振動モードの共振周波数を低下させると共に、振動の方向を調整することができる。この切削加工を何度か繰り返し、Δｆの適正値に調整し、同時に出力バランスも調整する。

特開平８−３１３２６５号公報特開平９−８９５６８号公報特開平８−３２７３６７号公報特許第３２８５１４０号

しかしながら、特許文献１に開示されている技術では、振動方向の調整にコーナー部の切削加工を施すが、コーナー部には電極が配置されており、その電極を切削すれば、電極効率を低下させる。その結果、調整の多い音叉型振動子と調整の少ない音叉型振動子では、感度にばらつきを生じ、回路側への負荷を高めることとなる。

さらに、コーナー部の切削加工による調整効率の高い部位ほど、電極の励振・検出効率に寄与する部位であると考えられるため、電極効率の低下を避けて調整を行えば、調整効率が低下し、切削量が増える。その結果、Δｆが大きく変化する可能性がある。また、セラミック支持基板の長さの調整やスリットを形成することなどで、Δｆの調整を行うが、音叉型振動子とセラミック支持基板を接続する工程が必要となることによるコストアップや、接着剤層の管理の難しさから歩留まり低下が懸念される。

また、特許文献２に開示されている技術では、トリミング用の電極を切削することで、漏れ出力の抑制を行うが、ｆｘモードによる漏れ出力とｆｙモードによる漏れ出力は、相互に影響を与えるため、振動子主面の電極の切削加工、音叉型振動子側面への切削加工を何回も繰り返し調整を行う必要がある。従って、作業の複雑化により生産性が低下し、コストアップの原因となる。

また、特許文献３に開示されている技術では、音叉型振動子における二つのアーム部のバランス補正用電極に蒸着・除去を繰り返し、振動子先端のバランスを変え振動方向を調整するが、特に側面部において、選択的に電極を蒸着・除去するのは技術的に容易ではなく、さらに、電極を蒸着・除去を行う装置が必要となり、設備の大型化によるコストアップが避けられない。

また、特許文献４に開示されている技術では、振動子の主面に対して、トリミングを施し、Δｆと同時に振動の方向を調整する。しかし、調整の際に、本来必要とされる電極に対してもトリミングを行うため、電極の励振効率が劣化し、感度ばらつき増加の原因となる。しかも音叉型振動子には、そのまま適用できない技術である。

従って、本発明の課題は、簡便な方法で二つの振動モードの共振周波数の差を調整した、圧電振動ジャイロ用振動子、及びその製造方法を提供することにある。

本発明は、上記課題を解決するため、圧電振動ジャイロ用振動子として、一方の側面にのみ電極を形成することで振動子を構成し得る圧電単結晶の音叉型振動子を採用し、音叉型振動子の電極が形成されていない方の主面に対し、トリミングを施して、Δｆ及び振動方向を調整する方法を検討した結果なされたものである。

即ち、本発明は、一対のアーム部と前記一対のアーム部を接合する基部が圧電単結晶で一体に形成された音叉型振動子の、前記一対のアーム部の同一方向の面のそれぞれに、駆動用電極、検出用電極、基準電位用電極が、前記アーム部の長手方向に平行に配置され、前記一対のアーム部を含む面における、音叉型振動子の中心軸について対称な前記一対のアーム部の面内振動、即ちｆｘモードと、前記ｆｘモードとほぼ直交する方向における前記一対のアーム部の面垂直振動、即ちｆｙモードとを、励振及び検出する圧電振動ジャイロ用振動子において、前記駆動用電極、前記検出用電極、前記基準用電極が形成された側の面と対向する側の面に施されてなるトリミングにより、前記ｆｘモードと前記ｆｙモードの共振周波数差及び振動方向が調整されてなることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子である。

また、本発明は、一対のアーム部と前記一対のアーム部を接合する基部を有する音叉型振動子を、圧電単結晶を用いて一体に形成し、前記一対のアーム部の同一方向の面のそれぞれに、駆動用電極、検出用電極、基準電位用電極を、前記アーム部の長手方向に平行に形成し、前記面と対向する側の面にトリミングを施すことにより、前記一対のアーム部を含む面における、音叉型振動子の中心軸について対称な前記一対のアーム部の面内振動、即ちｆｘモードと、前記面内振動とほぼ直交する方向における前記一対のアーム部の面垂直振動、即ちｆｙモードとの、共振周波数差及び振動方向を調製することを特徴とする、圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法である。

また、本発明は、前記ｆｘモードと前記ｆｙモードの共振周波数差の所要値よりも、前記ｆｙモードの共振周波数の初期値を予め高く設定し、トリミングにより、共振周波数差を所要値に調整することを特徴とする、前記の圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法である。

また、本発明は、前記音叉型振動子の中心軸を含み、前記音叉型振動子における、前記駆動用電極、前記検出用電極、前記基準電位用電極を形成した面と直交する面について、前記トリミングを対称に施すことを特徴とする、前記の圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法である。

本発明によれば、Δｆ及び振動方向を調整するために、音叉型振動子の電極が形成されていない側の主面に対して任意の切削加工、即ちトリミングを行うことができる。従来の電極を避けながら行う調整とは異なり、自由度の高い調整を行うことが可能である。粗調整を行うには、調整感度の高い、音叉型振動子の基部付近にトリミングを施し、微調整を行うには、調整感度の低い、アーム部の先端近傍にトリミングを施すことで、調整の分解能を高める効果が期待できる。

また、従来の調整方法のように、音叉型振動子の電極に欠損部を生じることもなく、音叉型振動子の励振・検出効率は、調整前後で変化しない。従って、音叉型振動子加工のばらつきが大きく、音叉型振動子間の調整量のばらつきが大きくても、適切な調整を行った後の音叉型振動子の特性には、ばらつきが非常に小さくなる。さらに、音叉型振動子の厚みが許す限り調整可能であり、調整範囲を非常に広くとれる利点がある。

また、前記のようなトリミングにより、ｆｙモードの共振周波数を低下させることは非常に容易である。そこで、予め音叉型振動子の加工ばらつきを調査し、所望のΔｆとなるｆｙモードの共振周波数よりも、ｆｙモードの共振周波数を予め高くなるように設計しておけば、量産におけるΔｆの調整工程で、すべての振動子に対してｆｙモードの共振周波数を低くする調整を行うこととなる。

ｆｙモードの共振周波数を高くする場合やｆｘモードの共振周波数を低くする場合には、音叉型振動子の２つの側面に対してバランス良くトリミングを施す必要があるが、本発明の製造方法によれば、すべての音叉型振動子に対して、容易な加工方法である、電極が形成されていない主面へのトリミング調整することが可能となり、生産性を向上させることができる。

また、本発明においては、電極を形成していない主面に対して、全体的なトリミングまたは、前記音叉型振動子の中心軸を含み、電極を形成した面と直交する面について、対称的なトリミングを施すことで、音叉型振動子の厚みを調整し、ｆｙモードの共振周波数のみを選択的に低下させるが、音叉型振動子のΔｆは、厚みだけで決定することはなく、電極の配置でも大きく変化する。そのため、予め電極配置後のΔｆを予測し音叉型振動子の厚みを設計する。

しかしながら、Δｆが確定するのは、音叉型振動子の一方の主面に電極を形成して実装した後なので、実装後にΔｆを調整する必要がある。従来の圧電振動ジャイロにおいては、振動子表裏の２側面に電極を配置する必要があり、振動子の実装後には、すでに電極が配置されているため、振動子の厚みを調整することは、ほぼ不可能であった。

本発明によれば、トリミングを施す面には電極は存在しておらず、全体的なトリミング、または対称的なトリミングにより、ｆｘモードに対して、バランスの良いトリミングを行うことが可能であり、ｆｙモードの共振周波数のみを大きく低下させることが容易である。このため、振動方向の変化が少なく、Δｆだけを選択的に広い範囲で調整できる。

以下に、本発明による音叉型圧電振動ジャイロの実施の形態について説明する。

まず、音叉形圧電振動ジャイロの基本的な動作原理について説明する。本発明の音叉型圧電振動ジャイロに用いる音叉型振動子の形状と振動モードは、図５に示した通りである。図５（ａ）のような音叉型の圧電体に、図５（ｂ）及び図５（ｃ）の振動モードに結合した電極を配置し、励振及び検出可能な音叉形圧電振動子を構成する。

ｆｘモードの共振周波数に近い周波数の駆動信号を電極に印加し、ｆｘモードを励振する。その状態で、音叉型振動子の長さ方向の軸に角速度を印加すると、音叉型振動子には、角速度に比例したコリオリ力が働き、ｆｙモードを生じる。このｆｙモードによって生じる電気信号を電極から取り出せば、角速度に比例した電気信号が得られ、圧電振動ジャイロとして機能させることができる。

この場合では、駆動モードにｆｘモード、検出モードにｆｙモードを利用しているが、これらを入れ替えて、駆動モードにｆｙモード、検出モードにｆｘモードを利用することも可能である。以下に図を用いて本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明を適用できる圧電振動ジャイロ用音叉型振動子の例を示す斜視図である。図１において、１０は基部、１１ａ、１１ｂはアーム部、１２、１３は駆動電極、１４、１７は検出電極、１５、１６は基準電位電極である。

この音叉型振動子の寸法は、全長が７ｍｍ、幅が１．１２ｍｍ、厚みが０．４ｍｍ、アーム部の長さが４ｍｍ、アーム部の幅が０．３５ｍｍであり、ｆｘモード及びｆｙモードの共振周波数は、約２０ｋＨｚである。平行で左右対称に配置された２本のアーム部１１ａ及び１１ｂとそれらを接続した基部１０が圧電体で一体に形成されている。

アーム部１１ａには、アーム部１１ａの長手方向と平行に駆動電極１３と、その左右に配置された基準電位電極１６と検出電極１７が形成されている。同様に、アーム部１１ｂには、アーム１１ｂの長手方向と平行に駆動電極１２、検出電極１４、基準電位電極１５を配置している。圧電体には、音叉型振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して４０°回転した軸と平行にしたＬｉＴａＯ₃圧電単結晶Ｘ板、または、音叉型振動子の長手方向を結晶のＹ軸がＸ軸に関して５０°回転した軸と平行にしたＬｉＮｂＯ₃圧電単結晶Ｘ板を使用しており、音叉型振動子の幅方向の電界に対して、圧電横効果が大きい。

従って、音叉型振動子の幅方向に電界を印加することで、音叉型振動子の長手方向に歪を生じさせ、アームを屈曲させることができる。図２は、本発明の一実施の形態における音叉型振動子の断面図で、図２（ａ）はｆｘモードについて説明するための図、図２（ｂ）はｆｙモードについて説明するための図である。駆動電極１３と検出電極１７及び基準電位電極１６の間に、駆動電圧を印加することで図２（ａ）のような電界が発生する。

その結果、駆動電極１３の左右では、逆向きの電界となるため、一方では長さ方向に伸び、もう一方では長さ方向に縮むこととなる。したがって、ｆｘモードを駆動電極１３により励振することができる。また、同様に、駆動電極１２と検出電極１４及び基準電位電極１５の間に、駆動電極１３に加えた電圧と逆位相の電圧を印加することで、ｆｘモードを２倍の効率で励振することができる。

次に、アームの長手方向の軸に角速度を加えると、図２（ｂ）のようにコリオリ力よるｆｙモードが生じる。この振動は、音叉型振動子における電極を形成した主面と垂直方向に、左右のアーム部が逆向きに振動する。

この振動の検出には、検出電極１７と基準電位電極１６及び検出電極１４と基準電位電極１５の間の信号差として検出することができる。なお、図２に示した通り、ｆｙモードによって生じる検出電極１４と検出電極１７の信号は、同振幅、同位相である。上記の説明では、駆動モードにｆｘモード、検出モードにｆｙモードを利用して、圧電振動ジャイロを構成する場合について説明したが、駆動モードと検出モードを入れ替えた場合にも同様に使用することができる。

図３は、本発明の実施の形態における振動方向の調整について示した図で、図３（ａ）は、音叉型振動子のトリミング例の断面図であり、図３（ｂ）は、トリミング位置と振動方向変化、即ち出力電流差の関係を示した図である。破線の円で示した部分がトリミング位置で、ここに示したトリミングは、音叉型振動子のアーム部の長手方向と平行に幅１００μｍ、深さ５０μｍのＶ溝を、アーム部全体に亘って施している。

図３（ｂ）の横軸は、音叉型振動子の幅を２分割する中心を原点とした、音叉型振動子の幅方向の座標であり、図３（ａ）のアーム部の断面図の位置と対応している。縦軸は、ｆｘモードの共振周波数近辺の周波数でｆｘモード用駆動電極に一定振幅の電圧を印加した際に、二つのｆｙモード用検出電極に生じる漏れ出力（出力電流差）を示しており、下記の式で得られる数値をプロットしたものである。
出力電流差＝（漏れ出力の差／漏れ出力の和）×１００（％）

なお、検出電極には電流検出回路が接続され、オペアンプの仮想接地機能により、検出電極の終端条件は短絡条件である。本来、完全に対称な音叉型振動子であれば、二つの検出電極には、ｆｘモードの成分のみの同振幅で、互いに逆位相の信号が生じ、それらの和はゼロである。しかし、振動方向が音叉型振動子の面内方向の軸から偏倚するに従って、二つ検出電極にはｆｙモード成分が生じ、同相成分が加わるため、位相差が１８０°から変化し始め、その結果、出力電流差が大きくなる。

図３（ｂ）を見ると明らかなように、アーム部の中央付近にトリミングを施して出力電流差は変化が小さく、アーム部の中央付近を境界にして、変化の極性が反転する。従って、トリミングの位置を調整することによって、振動方向を制御することができる。

ここでは、一定の深さ、長さでトリミングを施しているが、Ｖ溝部の深さを変えることによって、図３（ｂ）の直線の傾斜を変えることができ、Ｖ溝部の長さを変えることによっても、図３（ｂ）の直線の傾斜を変えることができる。また、トリミングの形状はＶ溝形状に限定するものではなく、Ｕ溝形状やその他の形状であっても、図３（ｂ）の直線の傾斜が変わるだけであって、本質的には問題ない。

次に、音叉型振動子のΔｆ調整の方法について説明する。図４は、音叉型振動子の厚みとｆｘモードとｆｙモードの共振周波数の関係を示す図である。つまり、この例は、音叉型振動子の電極が形成されていない側の主面を切削して厚みを調整するので、音叉型振動子の中心軸を含み、電極を形成した面と直交する面について、対称的なトリミングを施す一例として捉えることができる。

図４によれば、音叉型振動子の厚みに対して、ｆｘモードは大きく変化し、音叉型振動子の厚みに比例して共振周波数が高くなる。それに対して、ｆｙモードの共振周波数は、音叉型振動子の厚みに拘わらずほぼ一定である。つまり、音叉型振動子のこの特徴を利用し、音叉型振動子の厚みを調整することにより、Δｆを任意の値に調整することが可能である。

本発明の音叉型振動子調整方法では、電極が二つの主面のうち、１面にしか配置されておらず、もう一方の主面は電極が存在していないため、任意の加工を行っても、電極の励振効率低下による音叉型振動子の特性劣化が起こらないので、レーザ加工などの手段を用いて音叉型振動子の厚みを薄くすることが可能である。

また、ここでは、音叉型振動子の厚みが均一に変化した場合の例を紹介しているが、音叉型振動子の厚みを均一に調整することに限定されることはない。音叉型振動子の幅方向を２分割する音叉型振動子の対称面に対して対称に調整を行うことで、振動方向は変化し難いため、前述の出力電流差は変化せず、Δｆのみを選択的に変化させることが可能である。

しかし、トリミングにより、音叉型振動子の厚みを薄くすることは可能であるが、厚くすることは不可能である。そこで、圧電振動ジャイロとして要求される感度や応答性、回路条件により必要となるΔｆを得るためには、所要のｆｙモードの共振周波数より、ｆｙモードの共振周波数を予め高く設計することでΔｆの調整には、音叉型振動子を薄くする調整だけで対応する必要がある。

具体的には、仮に加工精度により、ｆｘモード及びｆｙモードの共振周波数が中心値に対して２００Ｈｚばらつき、要求されるΔｆが、ｆｙモードよりｆｘモードの共振周波数が２００Ｈｚ高い条件であるとすれば、ｆｙモードをｆｘモードより２００Ｈｚ高くすれば良いから、図４に示した例では、音叉型振動子の厚みを約０．４０５ｍｍに中心値を設計すれば良いことになる。

即ち、本発明によれば、音叉型振動子の一方の主面に電極が存在しないため、任意のトリミングを施すことが可能であり、Δｆ及び振動方向の調整の自由度が高く、調整の範囲も非常に広い。さらに、電極の欠損などがなく、電極の励振・検出効率に寄与する部位に対してトリミングを施すこともないため、調整後の音叉型振動子特性のばらつきを大きく低減することが可能である。

従って、本発明により、振動子の大幅な小型化を図った場合においても、生産性が高く、ばらつきの小さい圧電振動ジャイロ用音叉型振動子とその製造方法を提供できる。

本発明を適用できる圧電振動ジャイロ用音叉型振動子の例を示す斜視図。本発明の一実施の形態における音叉形振動子の断面図。図２（ａ）はｆｘモードについて説明するための図。図２（ｂ）はｆｙモードについて説明するための図。本発明の実施の形態における振動方向の調整について示した図。図３（ａ）は音叉型振動子のトリミング例の断面図。図３（ｂ）はトリミング位置と出力電流差の関係を示した図。振動子の厚みとｆｘモードとｆｙモードの共振周波数の関係を示す図。音叉型振動子の形状と振動方向を示す図。図５（ａ）は音叉型振動子の形状を示す斜視図。図５（ｂ）はｆｘモードを示す斜視図。図５（ｃ）はｆｙモードを示す斜視図。共振周波数の従来の調整方法の一例を説明するための図。図６（ａ）は音叉型振動子と基部の配置を示す図。図６（ｂ）は基部の長さの変化に伴う共振周波数の変化を示す図。音叉型振動子のアーム部のコーナートリミングによる振動方向の調整方法を説明するためのアーム部の断面図。従来の音叉型振動子の形状及び電極構成の一例を示した図。図８（ａ）は正面図。図８（ｂ）は側面図。図８（ｃ）はＡＡ断面図。従来の音叉形振動子における振動方向の調整方法の一例を説明するための図。図９（ａ）は平面図。図９（ｂ）は正面図。図９（ｃ）は側面図従来の振動子の調整方法の一例を説明するための図。

符号の説明

１０，５１，６２，８０基部
１１ａ，１１ｂ，５０ａ，５０ｂ，７０ａ，７０ｂ，８１ａ，８１ｂアーム部
１２，１３，８３，９２駆動電極
１４，１７，８２，９１検出電極
１５，１６，８７，１０６基準電位電極
６１，９０音叉型振動子
６２支持基板
６３基板
８４ｆｙモードトリミング電極
８５，８６ｆｘモードトリミング電極
９３バランス補正用電極
１００振動ジャイロ
１０１振動子
１０３中間電極
１０４，１０５圧電セラミクス矩形板
１０２ａ，１０２ｂ駆動兼検出電極
１０７切削加工位置
１０８ワイヤ

Claims

一対のアーム部と前記一対のアーム部を接合する基部が圧電単結晶で一体に形成された音叉型振動子の、前記一対のアーム部の同一方向の面のそれぞれに、駆動用電極、検出用電極、基準電位用電極が、前記アーム部の長手方向に平行に配置され、前記同一方向の面に平行な、音叉型振動子の中心軸について対称な前記一対のアーム部の面内振動と、前記面内振動とほぼ直交する方向における前記一対のアーム部の面垂直振動とを、励振及び検出する圧電振動ジャイロ用振動子において、前記駆動用電極、前記検出用電極、前記基準用電極が形成された側の面と対向する側の面に施されてなるトリミングにより、前記面内振動と前記面垂直振動の共振周波数差及び振動方向が調整されてなることを特徴とする圧電振動ジャイロ用振動子。
一対のアーム部と前記一対のアーム部を接合する基部を有する音叉型振動子を、圧電単結晶を用いて一体に形成し、前記一対のアーム部の同一方向の面のそれぞれに、駆動用電極、検出用電極、基準電位用電極を、前記アーム部の長手方向に平行に形成し、前記面と対向する側の面にトリミングを施すことにより、前記同一方向の面に平行な、音叉型振動子の中心軸について対称な前記一対のアーム部の面内振動と、前記面内振動とほぼ直交する方向における前記一対のアーム部の面垂直振動との、共振周波数差及び振動方向を調製することを特徴とする、圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法。
前記面内振動と前記面垂直振動の共振周波数差の所要値よりも、前記面垂直振動の共振周波数の初期値を予め高く設定し、トリミングにより、前記共振周波数差を所要値に調整することを特徴とする、請求項２に記載の圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法。
前記音叉型振動子の中心軸を含み、前記音叉型振動子における、前記駆動用電極、前記検出用電極、前記基準電位用電極を形成した面と直交する面について、前記トリミングを対称に施すことを特徴とする、請求項３または請求項４に記載の圧電振動ジャイロ用振動子の製造方法。